無人機(jī)之混合電能控制器設(shè)計(jì)與電力整合

王紹武，沈彥霖

（1.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南平頂山，467001；2.河南神馬尼龍化工有限公司，河南平頂山，467013）

0 前言

隨著全球節(jié)能減碳的倡導(dǎo)，推動電動化以提升交通運(yùn)輸能源使用效率與降低排放已成國際重要趨勢。目前復(fù)合電能系統(tǒng)之類似構(gòu)架已經(jīng)用于電動車輛電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，主要是以延長續(xù)航力、節(jié)約能源、提升效率與降低成本為目標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到較高整體性能與整體系統(tǒng)動力。為了獲得最佳能源管理策略，本文采用工程直覺化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的規(guī)則庫控制方式，結(jié)合模糊邏輯控制復(fù)合動力系統(tǒng)，而無人機(jī)控制單元依照馬達(dá)動力需求，控制引擎油門以及相關(guān)電子系統(tǒng)，達(dá)能源使用最佳化的目標(biāo)。

1 復(fù)合式電能無人機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文以DSPTMS320F28335 處理器作為無人機(jī)控制單元。而為了方便且快速地開發(fā)此DSP 程序，本文以Matlab/Simulink 軟體進(jìn)行主要程序撰寫，并搭配Stateffow 開發(fā)各種條件判斷模式。為了確保無人機(jī)之運(yùn)轉(zhuǎn)安全，在程序模擬方面共進(jìn)行三次于不同環(huán)境下的模擬測試，第一次為當(dāng)程序撰寫完畢后，利用Matlab/Simulink 內(nèi)置模擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬，確認(rèn)基本參數(shù)是否有設(shè)定正確。第二次為利用Terasoft 公司所研發(fā)之快速雛型控制器Microbox 進(jìn)行硬件回路（Hardware-In-theLoop，HIL）模擬測試，主要為測試當(dāng)程序燒入至控制硬件后，是否會有錯(cuò)誤發(fā)生。第三次將撰寫好之控制策略燒入至微處理芯片中進(jìn)行測試及控制，另在硬件前端建置多個(gè)傳感器，借此透過觀測系統(tǒng)狀態(tài)而主動計(jì)算復(fù)合式電力分配比例。在確認(rèn)主動式能源管理有效后，再進(jìn)行無人機(jī)控制單元設(shè)計(jì)，提高實(shí)際應(yīng)用之可行性。

1.1 規(guī)則庫控制策略

依據(jù)無人機(jī)現(xiàn)有使用方式，有引擎發(fā)電機(jī)待機(jī)、無人機(jī)定點(diǎn)懸置與高負(fù)載等主要操作模式。定義Pd為無人機(jī)需求功率；Pg為無人機(jī)之引擎發(fā)電機(jī)輸出功率。以最佳引擎發(fā)電機(jī)功率輸出定值，如圖1 虛線所示，當(dāng)Pd＞ Pg，代表為復(fù)合電能輸出模式，引擎發(fā)電機(jī)與鋰電池系統(tǒng)以并聯(lián)方式提供多旋翼馬達(dá)電能需求；當(dāng)Pd＜ Pg為充電模式，引擎發(fā)電機(jī)主要供給鋰電池充電用，部分電能提供多旋翼馬達(dá)使用。

圖1 無人機(jī)控制模塊功率控制方案

1.2 Matlab/Simulink 模擬結(jié)果

本項(xiàng)目采用Matlab/Simulink 模擬環(huán)境進(jìn)行測試，建構(gòu)v 型驗(yàn)證中的Model-In-the-Loop及HIL 驗(yàn)證，有助于未來實(shí)際對無人機(jī)進(jìn)行調(diào)校，提升無人機(jī)性能與可靠度。本模擬利用先行實(shí)測之電池能耗數(shù)據(jù)建立無人機(jī)控制單元模塊如圖2 所示，可計(jì)算鋰電池剩余電量。

圖2 無人機(jī)控制單元模塊

了解無人機(jī)實(shí)際飛行所需之能耗有利本文之模式建立，經(jīng)實(shí)測無人機(jī)飛行情況得知：當(dāng)無人機(jī)進(jìn)行拉升及回轉(zhuǎn)時(shí)需較大之瞬間電流，而正常航行之工作電流約為100 如圖3所示?？刂撇呗匀缟瞎?jié)所述，利用電流及鋰電池殘電量大小建立規(guī)則庫。規(guī)則庫中分三大模式：高負(fù)載、中負(fù)載及低負(fù)載，分別以無人機(jī)引擎于不同負(fù)載區(qū)間實(shí)測之制動燃油消耗量（Brake SpeciffcFuel Consumption，BSFC）定義其油門開度(α)，其中油門開度區(qū)間為0 至1 之連續(xù)數(shù)值。本階段性能測試先將高負(fù)載之油門開度定義為1；中負(fù)載之油門開度定義為0.5；低負(fù)載之油門開度定義為0.1 進(jìn)行模擬，測試總秒數(shù)為500 秒，根據(jù)電池放電電流推算之鋰電池殘電量。模式切換分五種模式：模式一為系統(tǒng)待命、引擎怠速，可隨時(shí)起動之狀態(tài)；模式二為低負(fù)載；模式三為中負(fù)載；模式四為高負(fù)載；模式五為安全模式，當(dāng)系統(tǒng)無法偵測電流或SOC 低于5%時(shí)觸發(fā)之模式。本測試之模擬模式結(jié)果如圖4 所示，而其對應(yīng)之油門開度數(shù)值如圖5 所示，其中為避免模式切換過于頻繁影響控制油門之伺服馬達(dá)作動造成相關(guān)部件損壞，模式及油門開度之輸出結(jié)果皆經(jīng)過濾波處理。

圖3 無人機(jī)實(shí)測電流

圖4 無人機(jī)模塊模式切換

圖5 無人機(jī)油門切換

1.3 HIL 模擬過程與結(jié)果

本項(xiàng)目利用兩部快速雛型控制器Microbox 實(shí)現(xiàn)HIL 測試模擬，透過各別定義快速雛型控制器為能量管理控制器及整機(jī)系統(tǒng)控制器采用模擬訊號雙向溝通的即時(shí)模擬，可于實(shí)機(jī)測試前先行檢測問題并優(yōu)先解決。采用兩快速雛型控制器進(jìn)行HIL 結(jié)果顯示，模擬與實(shí)時(shí)模擬仍有0.001%誤差，未來可利用降低白噪音（White Noise）方式改進(jìn)。復(fù)合式動力無人機(jī)之電壓與電流感測電路開發(fā)為使無人機(jī)控制單元具備過壓與過流保護(hù)能力，避免DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊于無人機(jī)運(yùn)行過程中，因電流分配不均造成單部或多部轉(zhuǎn)換模塊燒毀之疑慮，本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)電壓與電流感測電路用以即時(shí)將各模塊之輸出電流、直流鏈電壓與電池電壓電流信號回傳至無人機(jī)控制單元中，使無人機(jī)控制單元監(jiān)控各狀態(tài)信息。除可估算電池之SOC 外，亦可避免DC/DC 電路模塊因輸出電壓與電流之異常，造成后端無人機(jī)馬達(dá)燒毀或無法預(yù)期之動作，提高整機(jī)安全性。

2 電壓、電流感測以及復(fù)合式動力電能管理硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓感測電路

本文以AD210AN 隔離放大器設(shè)計(jì)電壓回 路如圖6 所示，此電路所使用之AD210AN 隔離放大器提供1 至100倍的電壓增益，具有精度高、成本低與體積小之優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部采用變壓器耦合放大器構(gòu)架，可對輸入和輸出信號進(jìn)行隔離，避免測量之電壓信號受到各種電磁、噪聲與誤差之影響。在此電路中，輸入信號需先經(jīng)過電阻適當(dāng)分壓，其分壓公式為：

圖6 電壓回授電 路圖

以滿足TMS320F28335模擬輸入電壓范圍0~3.3 V 之要求，其中VAD210為AD210AN隔離放大器之輸入信號，Vbus為DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊輸出電 壓，VR1、R1 與R2 為 限制電壓輸入范圍之可變電阻與電阻。接著將由(1)式計(jì)算介于0~3.3 V 之電壓信號送入AD210AN 隔離放大器中，使信號與電源隔離。后級以電阻R3、R4、電容器C1、C2 及運(yùn)算放大器組成一個(gè)二階低通濾波器，用于濾 除系統(tǒng)因高頻切換所造成之高頻噪聲。由于TMS320F28335 之類比輸入分辨率為10 位，因此精確度可達(dá)3.3/210=3.23 mV。最后于ADC IN 兩端并聯(lián)一3.3V 二極管，確保送至DSP 之電壓介于0~3.3 V。

2.2 電流感測電路設(shè)計(jì)

同樣為監(jiān)測各轉(zhuǎn)換器之輸出電流，本文以LA55P 閉環(huán)路霍爾效應(yīng)電流感測器設(shè)計(jì)電流回授電 路如圖7 所示，用以即時(shí)回授各轉(zhuǎn)換器之輸出電流。LA55P 感測器之標(biāo)準(zhǔn)測量值為50 A，具有高測量精準(zhǔn)度、良好之線性度與優(yōu)異之抗干擾能力，透過M 腳位輸出電流至外部電阻即可得以一模擬電壓值表示之電流信號。在此電路中，將欲測量之電流穿過LA55P 之環(huán)路中，即可利用霍爾效應(yīng)（Hall Effect）比例式輸出一最大為60 mA 之電流，經(jīng)流通至電阻R3 后可得一電壓信號介于±4V 中，接著通過一非反向放大器，藉由調(diào)整VR1進(jìn)行增益的調(diào)整后使模擬電壓介于為0~3.3 V，其計(jì)算公式如(2)所示。

圖7 電流回授電路圖

其中VADC iIN為DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊輸出電流之濾波前回授信號、iM為LA55P 感測電流、VR1、R1 與R2 為用于調(diào)整電壓增益之可變電阻與電阻。

2.3 電壓電流感測電路接線規(guī)劃

本研究所設(shè)計(jì)之電壓電流整合感測電路則如圖8 所示，電壓感測電路共兩組，1 組監(jiān)控總電壓Vo，另1 組監(jiān)控電池電壓，并提供信息給UAVCU 以估算SOC。另一方面，電流感測電路共7 組，其中6 組用以監(jiān)控6 部2KW直流/直流轉(zhuǎn)換器之輸出電流，另1 組用于監(jiān)控電池輸出電流，以便由UAVCU 估算電池之SOC。所完成之實(shí)際電壓感測電路如圖10 所示，其中電壓感測量測比例為0~100V/0~1.8V；電流感測電路如圖9 所示，其中電流感測量測比例為0~50A/0~1.8V。

圖8 電壓電流感測電路接線規(guī)劃

圖9 電壓感測板實(shí)體圖

圖10 電流感測板實(shí)體圖

2.4 復(fù)合式動力無人機(jī)電能管理硬件設(shè)計(jì)

本文以TI DSP TMS320 F28335 實(shí)現(xiàn)無人機(jī)CU，其主要原因?yàn)榇诵酒羁爝\(yùn)算速度可達(dá)到150 MHz，并具備豐富且數(shù)量眾多之GPIO、PWM、I2C SCI、SPI與CAN 等多種信號傳輸功能，其中引擎油門以及節(jié)風(fēng)門控制采用PWM 訊號，電壓與電流值為模擬信號，另外為了避免類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換腳位于測量數(shù)值時(shí)受到干擾，須將參考電位妥善接地。最后利用電源供應(yīng)器以及示波器模擬信號源，確認(rèn)DSP 是否能正常工作。

3 復(fù)合式動力無人機(jī)電能管理次系統(tǒng)與系統(tǒng)整合測試

在此階段結(jié)合上述所有部分進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件整合，并將DSP 作為無人機(jī)CU 在實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)測試性能測試如圖11 所示。系統(tǒng)整合測試總共分為三部分，其中第一部分因?yàn)榭刂埔嬷?jié)氣門開度及阻風(fēng)門開關(guān)，本文使用MBL-850 伺服馬達(dá)，要控制其伺服馬達(dá)必須給予PWM 信號，首先需要測試TMS320F28335 所輸出之PWM 值，必須讓伺服馬達(dá)能夠順利打開節(jié)氣門；另一組則是能將阻風(fēng)門達(dá)到全開或全關(guān)。在此階段要注意避免伺服馬達(dá)超過其極限范圍，以防馬達(dá)過載過熱而出現(xiàn)異常。第二部分是將TMS320F28335接上各感測元件，并且利用電子負(fù)載機(jī)模擬無人機(jī)在空中所會面臨的狀況，進(jìn)行變動負(fù)載抽載模擬，如在輕載、中載及重載時(shí)引擎節(jié)氣門所反映的結(jié)果進(jìn)行觀察及校正。第三部分為最終測試階段，將TMS320F28335 及感測元件安裝于無人機(jī)并進(jìn)行試飛，并且收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)之改善。

圖11 無人機(jī)系統(tǒng)與次系統(tǒng)整合測試

4 結(jié)論

目前商用無人機(jī)多用于攝影及拍照所用，續(xù)航力較短，且受限于大小以及成本考察，一般商用無人機(jī)技術(shù)皆使用鋰電池作為其主要能量來源，少有使用兩種能源系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合動力。本文主要目標(biāo)為建立一具引擎發(fā)電機(jī)與鋰電池復(fù)合電力之無人機(jī)系統(tǒng)，借以提升續(xù)航力，并解決單一電池成本過高之問題。而為了能充分發(fā)揮兩種電力源特性及達(dá)到最高效率，本文發(fā)展規(guī)則庫與模糊控制策略進(jìn)行電力輸出比控制，并且分配兩種電力源作動時(shí)機(jī)。控制程序以Matlab/Simulink 程式之圖像構(gòu)架開發(fā)，利用DSP 作為無人機(jī)CU接收前端各種感測信號進(jìn)行判斷，并下達(dá)控制指令。為了避免無人機(jī)因動力不足而于高空墜落，在驗(yàn)證動力源方面進(jìn)行多樣且謹(jǐn)慎的測試，從最初之程序模擬測試、HIL 測試、DSP 硬件測試、動力計(jì)測試及最后的無人機(jī)上機(jī)測試，最后并收集各項(xiàng)信息以持續(xù)進(jìn)行后續(xù)改善及修正。